船舶自动识别系统（AIS）是一种安装在船舶上的海上助航设备,能够自主连续的在甚高频上广播信息,实现船与船、船与岸之间实时的消息通信,对可能发生的事故进行提前预警,有效的避免船舶碰撞,保障航行安全,推动了海上交通运输的发展。目前国内AIS设备厂商较少且大部分实现方案采用国外专用AIS信号处理芯片,核心技术受制于人,缺乏自主知识产权。因此,深入研究AIS通信协议,完成AIS数字信号处理系统的设计与实现,对于研发具备自主知识产权的AIS系统具有重要意义和应用价值。首先,研究并阐述了AIS协议模型中物理层、链路层、网络层以及传输层的主要功能,给出了AIS系统标准所要求满足的技术指标;然后对AIS消息帧结构以及组帧方式进行分析,包括HDLC打包方式以及编码规则;同时对SOTDMA信道接入方式进行研究,分析了此方法能够自主连续发送以及减小时隙冲突的原理;并对AIS基带信号模型进行分析与研究,为后续方案的制定打下理论基础。其次,结合信号体制标准和系统指标,研究并设计了AIS数字信号处理系统的收发子系统方案。对GMSK直接调制、正交调制以及波形存储正交调制方法进行了理论分析和对比,确定了采用基于查找表的波形存储正交调制方案;对GMSK相干解调以及非相干解调算法进行了理论研究和仿真分析,并考虑到满足系统指标中的实际通信条件,最终确定了2bit相位差分解调作为系统解调方案;针对突发信号体制,分析评估了循环特征检测法、信号能量法以及双滑动窗口法,仿真对比了上述算法的检测准确率,选择了双滑动窗口法;为有效对抗系统要求的±3ppm频偏,本文提出了一种平方移位相加法,通过检测移位相加后频谱的峰值进行载波频率估计,与直接FFT法、双线幅度法以及二次逼近法进行仿真对比,结果表明此算法拥有更优的频率估计性能,因此选择该算法作为系统频率估计方案;还对定时同步算法进行研究,通过仿真对比,LM定时法能较好符合系统定时误差要求,因此作为系统定时同步方案。最后,采用基于片上系统的方式完成了AIS数字信号处理收发子系统的实现,保证了算法的自主性,配置灵活并方便更新换代升级。在确定系统架构的基础上,完成了HDLC组包模块、NRZI编码模块、GMSK调制模块、信号检测模块、频率估计模块、DDC模块、GMSK解调模块以及HDLC解包模块等关键模块的设计、仿真与实现。确立了硬件平台及其架构,通过AXI4-Lite总线完成ARM与FPGA的信号互联,实现了数据的共享,最终实现了完整的片上系统。设计完成后,根据AIS协议要求对系统的发射频谱、带内功率、本振频率、接收灵敏度以及抗频偏性能进行测试验证,测试结果表明,本项目实现的AIS系统满足协议要求。